水合離子輸運幻數效應的效果圖。
當鹽遇見水，水溶解了鹽，於是有了鹽水。在科學界，鹽和水的結合有個專屬名字——水合離子。數百年來，無數科學家潛心研究，其微觀結構及動力學一直未有定論。
日前，我國科學家利用自主研發的高精度顯微鏡，首次揭開這一神秘物質的“終極面紗”：繼2014年獲得世界首張亞分子級分辨的水分子圖像後，研究團隊再次宣佈，將分辨率推向了原子極限，首次得到了水合離子的原子級分辨圖像，並進一步揭示了其“運動習性”。
日前，我國科學家在全球首次得到了水合離子的原子級分辨圖像。“這可能就是原子水平觀測的極限了。”該課題組成員、中國科學院院士王恩哥說。據介紹，這一研究成果已於近日發表在國際頂級學術期刊《自然》上。成果由北京大學量子材料科學中心江穎課題組、徐莉梅課題組、北京大學化學與分子工程學院高毅勤課題組與中國科學院王恩哥課題組合作完成。
熟悉的“陌生人”
由於水分子結構無法直接套用較為簡單的經典粒子模型來研究，加之與其他物質的相互作用非常複雜，因此其成為人類最不瞭解的一種物質
水是自然界中最豐富、人們最為熟悉，同時也是最不瞭解的一種物質。《科學》雜誌創刊125週年之際，曾公佈了本世紀125個最具挑戰性的科學問題，其中就包括：水的結構如何？2015年，《德國應用化學》也將水的相關問題列入未來24個關鍵化學問題。
明明尋常可見，緣何如此神秘？這與水的組成有關。水的分子結構很簡單：H2O，其中的H（氫）是元素週期表中最輕的原子。一般來說，如果原子核較重，我們可以近似地把它處理為經典粒子，但H這一近似電子重量的原子，卻無法直接套用較為簡單的經典粒子模型來研究。
不僅如此，水與其他物質的相互作用同樣非常複雜。“由於水是強極性分子，作為溶劑，它能使很多鹽發生溶解，並與溶解後的離子結合在一起形成團簇，這一過程稱為離子水合，形成的離子水合團簇則稱為離子水合物，俗稱水合離子。”北京大學物理學院量子材料科學中心教授江穎說，離子水合幾乎無處不在，在眾多物理、化學、生物過程中，扮演著重要角色。比如，鹽的溶解、電化學反應、生命體內的離子轉移、大氣汙染、海水淡化、腐蝕等。
重要性不言而喻，但離子水合的微觀結構和動力學一直是學術界爭論的焦點。早在19世紀末，人們就意識到離子水合的存在，並開始了系統的研究。其中，最早的實驗研究可以追溯到1900年德國著名物理化學家沃爾特·能斯特的遷移實驗。
然而，經過100多年的努力，離子的水合殼層數、各個水合層中水分子的數目和構型、水合離子對水氫鍵結構的影響、決定水合離子輸運性質的微觀因素等諸多問題，至今仍沒有定論。究其原因，關鍵在於缺乏單原子、單分子尺度的表徵和調控手段，以及精準可靠的計算模擬方法。
“100多年前，科學家就知道了水合離子的存在，但一直沒有直接的實驗證據。現在，我們第一次直接‘看到’了水合離子的原子級圖像，這幾乎是到了成像的極限。”江穎教授說。
奇妙的“幻數效應”
包含有特定數目水分子的水合離子在氯化鈉晶體表面運動時，具有異常高的擴散能力，研究人員將這種特性稱為動力學的“幻數效應”
看清水合離子的微觀結構並非易事。如何在實驗上獲得單個水合離子，這是科學家們面臨的第一項挑戰。
江穎說，製作水合離子非常容易——把鹽倒入水中即可，但是這些離子水合物相互聚集、相互影響，水合結構也在不斷變化，不利於高分辨成像。因此，要得到適合拍“原子照”的水合離子，是件非常困難的事。
為解決這一難題，研究人員經過不斷嘗試和摸索，基於掃描隧道顯微鏡發展了一套獨特的離子操控技術，用以製備單個水合離子，研發了基於一氧化碳針尖修飾的非侵擾式原子力顯微鏡成像技術，可以依靠極其微弱的高階靜電力來掃描成像，並在此基礎上，首次獲得了原子級分辨率的水合離子圖像。
“圖像中，不僅可以精確確定水分子和離子的吸附位置，就連水分子取向的微小變化都可以直接識別。這是水合離子概念提出100多年來，國際上首次在實空間‘看到’水合離子的原子層次圖像。”江穎表示。
時光不負情深。在研究中，研究團隊還發現了一種有趣的現象：包含有特定數目水分子的水合離子在氯化鈉晶體表面運動時，似乎患上了“多動症”——具有異常高的擴散能力，運動速度比其他的水合物要高10倍至100倍。研究人員將這種特性稱為動力學的“幻數效應”。
“這一工作首次建立了水合離子的微觀結構和輸運性質之間的直接關聯，刷新了人們對於受限體系中離子輸運的傳統認識。”王恩哥表示。
可期的應用前景
這一工作發展的實驗技術未來有望應用到更多更廣泛的水合物體系，還為防腐蝕、海水淡化等前沿領域研究開闢了一條新途徑
這一研究結果有何意義？江穎舉了個例子。比如，在生物離子通道中的研究。“我們知道，人類的嗅覺、味覺、觸覺等是依靠生物離子通道來實現的。離子在這些通道中的輸運速度非常高，而且在離子的篩選上具有很強的特定性，從來不會亂套。過去，我們認為這種高速度和特定性主要是由離子通道的大小決定的。但是，我們的研究結果對這個認知提出了挑戰——生物離子通道的內壁結構具有很多微觀細節，或許是因為細節的不同，導致了不同的幻數效應，才出現了離子輸運的選擇性和高效性。”
“這一工作發展的實驗技術首次將水合相互作用的研究精度推向了原子層次，未來有望應用到更多更廣泛的水合物體系，開闢全新的研究領域。”在王恩哥看來，這項研究的結果意味著，我們可以通過改變材料表面的對稱性和週期性，來實現選擇性增強或減弱某種離子輸運能力的目的，這對於很多相關應用領域都具有重要潛在意義。
比如，可以研發出新型的離子電池。“目前，我們所使用的鋰離子電池，它的電解液一般由大分子聚合物組成。然而，基於這項最新研究，我們將有可能開發出一種基於水合鋰離子的新型電池。”根據江穎的說法，這種電池將大大提高離子的傳輸速率，從而縮短充電時間和增大電池功率，同時會更加環保，成本也將大幅降低。
不僅如此，這項研究成果還為防腐蝕、電化學反應、海水淡化等前沿領域的研究開闢了一條新的途徑。“這一工作會馬上引起理論和應用表面科學領域的廣泛興趣”“為在納米尺度控制表面上的水合離子輸運提供了新的途徑，並可以拓展到其他水合體系”——《自然》雜誌3個不同領域的審稿人如是評價。
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